潘傳九，靳兆文，馮 秀

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

研究開發(fā)

旋風(fēng)分離器的螺旋導(dǎo)流和防返混

潘傳九，靳兆文，馮 秀

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

由于普通旋風(fēng)分離器不能滿足工業(yè)中大直徑、大流量的分離工藝要求，本文研究表明了氣固兩相流有效的螺旋運動是旋風(fēng)分離的關(guān)鍵，加設(shè)螺旋導(dǎo)流裝置，強制流體進(jìn)行螺旋運動，可以大幅度提高旋風(fēng)分離效率；同時順應(yīng)氣流翻轉(zhuǎn)流動之勢，設(shè)立防返混結(jié)構(gòu)，能夠確保最終分離效果。采用雙分離器并聯(lián)，上接分氣罐、下接集塵罐，并使用專利下灰閥，形成完整的分離系統(tǒng)，工業(yè)應(yīng)用效果良好。

旋風(fēng)分離器；螺旋導(dǎo)流；防止返混；分離效率；工業(yè)應(yīng)用

旋風(fēng)分離器是氣固分離和除塵系統(tǒng)中常用的分離設(shè)備，一般對固體粒徑在5～20 μm情況下分離效果比較理想，在工業(yè)中普遍應(yīng)用。但對于工業(yè)應(yīng)用中流量大、直徑大的旋風(fēng)分離器，往往分離效果不理想。本文作者對大流量速度受限情況下的小微粒的旋風(fēng)分離進(jìn)行了模擬分析，探討了影響旋風(fēng)分離效果的主要問題，針對存在的主要問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增加旋風(fēng)分離的導(dǎo)流裝置和氣固分離中的防止返混裝置，有效提高了分離效率，超過了具體工藝裝置的使用要求；并且在100 kt/a苯胺系統(tǒng)中按壓力容器規(guī)范進(jìn)行設(shè)計、制造和使用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 旋風(fēng)分離器的工業(yè)應(yīng)用

1.1 生產(chǎn)工藝過程

在苯胺生產(chǎn)的主要化學(xué)反應(yīng)中，氣相反應(yīng)物在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時需要使用固體催化劑，為增強氣固接觸，提高催化效果，采用了沸騰反應(yīng)爐。反應(yīng)后的氣流從爐體上部流出爐膛時，將大量微小顆粒催化劑一同帶出了反應(yīng)器，所以必須進(jìn)行氣固分離，一方面凈化反應(yīng)后的氣流，去除微小固體顆粒；另一方面收集固體催化劑重復(fù)使用，節(jié)約催化劑消耗量，同時除塵環(huán)保。

1.2 分離工藝要求

本設(shè)備是催化反應(yīng)后的第二級旋風(fēng)分離，氣體工作條件如表1所示，對固體顆粒的分離要求如表2所示。

表1 氣體工作條件

表2 性能要求

2 旋風(fēng)分離系統(tǒng)的初步設(shè)計

此分離器用于某公司100 kt/a苯胺裝置，由于需要分離的含有催化劑固體顆粒的混合氣體的流量大，為將流速限制在適宜的安全流速范圍，采用并聯(lián)雙旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，旋風(fēng)分離器的計算模型結(jié)構(gòu)和幾何尺寸如圖 2所示。進(jìn)口流速約為20 m/s，旋風(fēng)分離器直徑為φ1400 mm，限制流速在適宜的安全流速范圍，采用并聯(lián)雙旋風(fēng)分離。按國家標(biāo)準(zhǔn)[1]，容器中苯胺含量≥0.1 mg/m3時即為三類壓力容器，所以本設(shè)備按照三類壓力容器進(jìn)行設(shè)計、制造、檢驗和使用管理。該系統(tǒng)中大開孔多：集氣罐上部有三通孔，下部接旋風(fēng)分離器出氣管；集塵罐與旋風(fēng)分離器連接結(jié)構(gòu)也是大開孔，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計[2]。本研究使用有限元軟件對每一個大開孔進(jìn)行分析，當(dāng)計算壓力0.2 MPa、壁厚10 mm時，直徑800 mm三通處局部薄膜應(yīng)力強度39 MPa，局部薄膜應(yīng)力強度加局部彎曲應(yīng)力強度 47.3 MPa，滿足應(yīng)力分析設(shè)計要求；殼體直徑1400 mm，開孔直徑比達(dá)50%等情況下同樣符合要求。

圖1 雙旋風(fēng)分離系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 模型的幾何尺寸（單位：mm）

3 旋風(fēng)分離效果與旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

3.1 旋風(fēng)分離效果模擬

旋風(fēng)分離器的工作過程是復(fù)雜的三維、湍流、兩相運動，近二十年來，隨著CFD（computational fluid dynam ics，計算流體力學(xué)）技術(shù)的迅速普及和發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者越來越多地采用CFD技術(shù)來解決旋風(fēng)分離器流體力學(xué)問題[3-5]。本研究采用CFD中自帶的具有旋流修正的 k-ε模型對旋風(fēng)分離器內(nèi)的三維、兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬。運用三維造型軟件GMBIT建立的三維模型，采用分塊劃分的方法得到網(wǎng)格圖形，節(jié)點數(shù)約為12萬個，單元數(shù)約為14萬個。同時模擬混和氣體在模型中的流動和固體微顆粒在流場中的運動、氣固兩相流的相互作用。

對多種顆粒直徑條件下的旋風(fēng)分離進(jìn)行模擬，其基本參數(shù)是：混和氣體黏度0.001 kg/(m?s)，密度0.806 kg/m3；固體顆粒密度1200 kg/m3；進(jìn)口速度20.6 m/s；壓力出口條件為101325 Pa；進(jìn)口面上均勻排布80個顆粒。其中粒徑10 μm時連續(xù)相質(zhì)點流場結(jié)果見圖3，離散相的軌跡如圖4所示，可見分離效果明顯低于粒徑20 μm時的分離效果。多種條件下的流場模擬均顯示：進(jìn)口上部連續(xù)相質(zhì)點和離散相質(zhì)點都發(fā)生螺旋運動，這是旋風(fēng)分離必須的；但在筒體中部運動狀態(tài)發(fā)生劇烈改變，以軸向流動為主，而且沒有分散相質(zhì)點流到錐形體中。這說明沒有形成有效的螺旋運動，分離效果很低，如果顆粒還沒有被吸附到筒體壁面上，則必將經(jīng)出口流出。

3.2 增強旋風(fēng)分離作用的結(jié)構(gòu)設(shè)計

從分離原理看，形成旋風(fēng)分離的首要條件是氣固混合物能夠在旋風(fēng)分離器中實現(xiàn)有效的螺旋運動，獲得分離固體顆粒的離心力。但多種條件下的模擬都說明在給定的工況下流體沒有形成整圈以上有效的螺旋運動，進(jìn)入旋風(fēng)分離器的含固粒氣流還來不及作圓周運動，就轉(zhuǎn)向流出了旋風(fēng)分離器，也就根本談不上進(jìn)行“旋風(fēng)分離”。這是致命的問題，將大大降低分離效果。

對于本旋風(fēng)分離器，提高旋風(fēng)分離效率的根本因素是要使氣流加強螺旋運動，防止過早軸向運動。增設(shè)螺旋導(dǎo)流板，引導(dǎo)和強制氣流進(jìn)行螺旋運動，是增強旋風(fēng)分離作用的有效方法之一。

3.2.1 螺旋導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計強制流體螺旋運動2圈，在最后大半圈，允許靠近外圈的連續(xù)相和離散相逐步增加軸向速度。使已被分離貼到壁面的離散相加速下滑落入錐體，連續(xù)相轉(zhuǎn)向流出。同時為方便制造，可將導(dǎo)流板焊接在中心管外壁上。

資料表明：標(biāo)準(zhǔn)式旋風(fēng)分離器的阻力系數(shù)約為8 ，一般通過旋風(fēng)分離器的壓降為 500～2000 Pa[6]。本案要求的阻力降比較寬松：ΔP≤（150±50）mmH2O，即（1500±500）Pa，容易滿足，但導(dǎo)流板設(shè)置時仍然考慮減少阻力降，采用等流動面積原則，使進(jìn)入旋風(fēng)分離器后的流速與進(jìn)入前在管口處流速相一致，防止流速突變增加阻力。其結(jié)果見圖5。

圖3 連續(xù)相質(zhì)點的軌跡

圖4 離散相質(zhì)點的軌跡

圖5 螺旋導(dǎo)流板（單位：mm）

3.2.2 設(shè)置導(dǎo)流板后的流場分析

本模擬假設(shè)進(jìn)口氣流在螺旋導(dǎo)流板的引導(dǎo)后，發(fā)展為理想的繞軸運動，即氣流具有均勻的周向流速和軸向流速。

由于混合氣體的體積流量為3.72 m3/s，軸向入口面積為1.3 m2，所以可知入口的軸向流速為2.86 m/s。由于原出口筒長為0.96 m，進(jìn)氣口高為0.425 m，導(dǎo)流板為2圈，求得旋轉(zhuǎn)角速度為24 r/s。此條件作為速度進(jìn)口，壓力出口依然為101 325 Pa，固體顆粒直徑為5 μm，隨氣體進(jìn)入，均勻分布在進(jìn)口上。進(jìn)口處的氣體流線如圖6所示，速度分布規(guī)律性強?？拷鼔毫M(jìn)口處的速度矢量如圖7所示，中間部分速度指向出口，且速度值相對較大。

壓力出口下方的速度矢量如圖8所示，中間部分速度指向出口的趨勢如圖7所示，仍以旋轉(zhuǎn)效應(yīng)為主。

圖6 連續(xù)相質(zhì)點的軌跡

圖7 靠近壓力進(jìn)口處的速度矢量

圖8 壓力出口下方的速度矢量

圖6～圖8顯示：靠近外圈的流體都保持著非常理想的螺旋運動狀態(tài)。統(tǒng)計顯示：該條件下5 μm直徑顆粒被圓筒內(nèi)壁面吸收的個數(shù)占總個數(shù)的72%（120/167），此結(jié)果基于顆粒平均分布于軸向進(jìn)口表面。但實際條件下，經(jīng)過螺旋導(dǎo)流板，顆粒已經(jīng)在離心力作用下遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸而靠近壁面，因此吸收率要高于72%。對照分離工藝要求，催化劑捕集效率指標(biāo)中要求 5～10 μm顆粒的捕集效率≥70%，1～5 μm顆粒的捕集效率≥25%，實際分離效果超過工藝要求。說明在旋風(fēng)分離器中增加螺旋導(dǎo)流板以后，強化了繞軸旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，提高了旋轉(zhuǎn)速度，非常有利于小直徑顆粒的分離。

3.3 設(shè)置阻止返混結(jié)構(gòu)

3.3.1 固體微粒的返混問題

普通旋風(fēng)分離器工作時的又一問題是，已經(jīng)被旋風(fēng)分離開的固體微粒，會由于分離器內(nèi)部流場的輕微波動而二次揚起，又隨著氣流上升進(jìn)入了出氣管。此現(xiàn)象稱為“返混”，返混的存在降低了旋風(fēng)分離的最終效果。返混現(xiàn)象發(fā)生在錐體部分，在這里大部分連續(xù)相的軸向運動發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從向錐體運動翻轉(zhuǎn)為向中心管運動，而隨著錐體處直徑的不斷縮小，已分離的微粒向中間聚攏，聚集了氣流揚起、裹挾微小顆粒的客觀條件。如果順著氣流翻轉(zhuǎn)流動之勢，在空間結(jié)構(gòu)上將氣流與已分離微粒進(jìn)行分割，則將破壞微小顆粒被揚起并被裹挾流出的客觀條件。

3.3.2 防止返混結(jié)構(gòu)的設(shè)置

防止返混結(jié)構(gòu)的最簡單結(jié)構(gòu)是一塊圓形隔板，最理想結(jié)構(gòu)是像離心式壓縮機級間彎道那樣的弧形結(jié)構(gòu)。本設(shè)計綜合方便制造和兼顧導(dǎo)流，采用如圖9所示結(jié)構(gòu)，并在中間加設(shè)小孔和小管，用于平衡上下部壓力，不改變原有流場壓力狀態(tài)，極少量隨固體顆粒進(jìn)入錐體下部的氣體可以從此孔中流出。此防返混結(jié)構(gòu)用扁鋼支撐，在其下方焊接于錐體內(nèi)壁上。

圖9 防返混結(jié)構(gòu)示意圖

由于流量大，氣流反轉(zhuǎn)從中心孔流出的反轉(zhuǎn)位置并不需要深入到錐體中下部，故本設(shè)計將防返混結(jié)構(gòu)設(shè)置于錐體上部約1/4處，見圖1。

4 結(jié) 論

（1）在旋風(fēng)分離器中，形成氣固兩相流有效的螺旋運動是旋風(fēng)分離的關(guān)鍵，對于大直徑、大流量的旋風(fēng)分離器，應(yīng)當(dāng)加設(shè)螺旋導(dǎo)流裝置，強制流體進(jìn)行螺旋運動，使微小固體顆粒獲得足夠的離心力。

（2）螺旋導(dǎo)流板是一種簡單的螺旋導(dǎo)流裝置，易采用“流速一致”原則螺旋導(dǎo)流板，減少阻力降。本設(shè)計強制流體螺旋運動2圈，小微粒的旋風(fēng)分離效率大幅度提高，5～10 μm 顆粒的捕集效率＞70%，1～5 μm顆粒的捕集效率＞25%。

（3）為有利于已分離顆粒軸向滑落至錐體和方便制造，將導(dǎo)流板焊接在中心管外壁上，導(dǎo)流板與圓筒內(nèi)壁留有一定間隙為好。

（4）解決返混問題的簡單而有效的方法是順應(yīng)氣流翻轉(zhuǎn)流動之勢，設(shè)立防返混結(jié)構(gòu)，在空間結(jié)構(gòu)上隔離氣流與已分離微粒。

（5）本旋風(fēng)分離系統(tǒng)按壓力容器相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，由雙分離器并聯(lián)，上接分氣罐、下接集塵罐，并使用專利下灰閥，形成完整的分離系統(tǒng)。在某公司100 kt/a苯胺系統(tǒng)中應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會. 鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（JB 4732—1995）[S]. 1995.

[2] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會. 鋼制壓力容器（GB 150—1998）[S].1998.

[3] 崔潔，陳雪莉，龔欣，等. 徑向入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器內(nèi)三維流場的數(shù)值研究[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2010，24（3）：388-394.

[4] 袁惠新，李麗麗. 物性和結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋風(fēng)分離器壓降影響的數(shù)值模擬[J]. 礦山機械，2010，38（5）：91-94.

[5] 付烜，孫國剛，劉書賢，等. 單、雙入口旋風(fēng)分離器環(huán)形空間流場的數(shù)值模擬[J]. 煉油技術(shù)與工程，2010，40（8）：26-30.

[6] 蔣維鈞．化工原理（上冊）[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1992.

Research on the spiral guiding and the back-mixing preventing of cyclone separating devices

PAN Chuanjiu，JIN Zhaowen，F(xiàn)ENG Xiu
（Nanjing College of Chemical Technology，Nanjing 210048，Jiangsu，China）

Common cyclone separating devices cannot meet the technical requirements of large flow rate and high flow velocity. This study shows that the effective spiral movement of dual-phrase distribution of gas-solid is the key for cyclone separation, and cyclone separating devices w ith spiral guiding devices can make fluids move spirally, which can greatly improve the efficiency of cyclone separation. At the same time, setting up back-m ixing preventing structure can ensure the effect of final separation. A complete separation system, which consists of dual-separator in parallel, an atmolysis tank, a dust tank and an ash valve, meets technical requirements in industrial units.

cyclone separating device；spiral guiding；preventing back-m ixing；separating efficiency；industrial application

TQ 051.8

A

1000-6613（2012）06-1215-05

2011-12-19；修改稿日期：2012-01-18。

及聯(lián)系人：潘傳九（1957—），男，副教授，高級工程師，主要從事化工過程裝備的研究。E-mail pchj025@163.com。